Reconfigurable intelligent surface-based novel transceiver architectures and multiple access
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 795009
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 200
Özet
Beşinci nesil (fifth generation, 5G) sistemlerine kadar, bir kablosuz haberleşme sisteminin kanalı, kontrol edilebilir bir sistem parametresi olarak değil, kablosuz ağların uç noktaları olan alıcı ve vericilerde rastgele olarak algılanan fiziksel bir sistem olarak ele tanımlanmıştır. Bu nedenle, bir haberleşme sisteminin kanalının kontrolü mümkün görülmemekte ve bunun yaratacağı olumsuz etkileri ortadan kaldırmanın tek yolu ise, ağın uç noktalarında bu etkiye müdahale etmekten geçmektedir. Son yıllarda, uyarlanabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surafaces, RIS) teknolojisi, kablosuz haberleşme kanallarına kontrol edilebilirlik yeteneği sağlamaktadır. Daha önce benzerine rastlanmamış kanalı manipüle etme yeteneğine sahip RIS teknolojisi, kablosuz ağı iyileştirmek için, iletim kanalını, diğer geleneksel parametrelerle işbirliği içinde optimize edilebilecek bir tasarım parametresi (kısmen de olsa) olarak kullanmaktadır. Bu amaçla kullanılan akıllı yüzeyler, her bir elemanı, yüzeye çarpan elektromanyetik dalgayı soğurarak veya karşı tarafa yansıtarak yeniden şekillendirmektedir. Böylece, son yıllarda yapılan çalışmalar, uyarlanabilir ve düşük maliyetli RIS'lerin neredeyse bütün mevcut kablosuz iletişim sistemleriyle entegrasyonunun sağlanabileceği öngörülmektedir. Bu nedenle, RIS teknolojisi, 6G ve ötesi kablosuz ağlar için potansiyel bir aday olabilecek, umut vadeden yeni bir teknoloji olarak büyük bir ilgi görmektedir. Bu tez, RIS teknolojisinin yeni nesil kablosuz ağlarda kullanılma potansiyelini araştırmaktadır. Bu amaçla, bu tezde, mevcut kablosuz iletişim sistemlerinin alıcı-verici mimarilerine RIS teknolojisini dahil ederek, klasik sistemlere kıyasla performanslarını iyileştirmeye yönelik özgün sistem tasarımları ve çözümler sunulmaktadır. Özetle, bu tezde, tek kullanıcılı ve çoklu erişime sahip çok kullanıcılı yedi farklı RIS-destekli kablosuz iletişim sisteminin tasarımını ve performans analizi aşağıdaki gibi üç farklı bölümde sunulmaktadır. Bu tezin ilk bölümünde, klasik çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlerin başında gelen, dikey Bell laboratuvarları katmanlı uzay-zaman kodu (vertical Bell Laboratories layered space-time, VBLAST) ve Alamouti uzay-zaman kodunu, RIS ile birleştirilerek iki farklı sistem tasarımı önerilmektedir. Önerilen VBLAST-tabanlı sistemde, RIS yardımıyla, RIS'te sıfırlama ve iptal etme (nulling and cancelling)-tabanlı yarı-optimum bir algoritma kullanarak iletim ortamını iyileştirilmesi ve aynı zamanda, indis modülasyonu (index modulation, IM) tekniğine başvurularak bant verimliliğinin büyük ölçüde arttırması hedeflenmiştir. Bunun yanı sıra önerilen Alamouti şemasında, klasik verici yapısında kullanılan iki radyo frekansı (radio frequency, RF) zincirinin yerini, tek bir RF sinyal üretecinin aldığı RIS-tabanlı bir verici tasarımı önerilmektedir. Bu tezin ikinci bölümünde, RIS teknolojisi, dik olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access, NOMA) tekniğine aşağıdaki gibi entegre edilmiştir. Bu çalışmada ilk olarak, bant verimliliğinin arttırılması, tüm kullanıcıların ergodik kapasitesini iyileştirilmesi ve kullanıcı eşitliği sağlanması amacıyla, RIS'in alt-bölümlere ayrıldığı bir RIS-tabanlı NOMA sistemi önerilmiştir. Önerilen bu sistemde, baz istasyonu (base station, BS) ve RIS farklı kullanıcı kümelerine tahsis edilerek, kullanıcı kümeleri arasındaki karşılıklı girişimin en aza inmesi sağlanmıştır. Daha sonra ise, tam kapsama alanını ulaşmak için, RIS'in genelleştirilmiş versiyonu olan eş zamanlı iletim ve yansıma (simultaneous transmission and reflection, STAR) fonksiyonlarına sahip STAR-RIS yapısı göz önünde bulundurulmuştur. Bu çalışmada, STAR-RIS yapısının mod değiştirme prensibi kullanılarak, STAR-RIS yüzeylerinin her iki tarafında konumlanmış çoklu dik-olmayan kullanıcılara hizmet verildiği bir NOMA sisteminin bit hata oranı (bit error rate, BER) incelenmiştir. Burada, mükemmel ve kusurlu ardışık girişim engelleme (successive interference cancellation, SIC) durumları için kapalı formda BER ifadelerini türetilmiştir. Ayrıca, yüksek işaret-gürültü oranı (signal-to-noise rati, SNR) bölgesindeki BER davranışı hakkında daha fazla bilgi sunmak için asimptotik analizler yapılmıştır. Bu bölümde son olarak, STAR-RIS-destekli NOMA sistemleri için genel sistem tasarımı ve fiziksel kaynak tahsisi problemleri ele alınmıştır. Özellikle, literatürdeki çalışmaların çoğundan farklı olarak, STAR-RIS destekli NOMA sistemi için, daha az kanal kestirim yükü gerektiren, ölçeklenebilir bir faz kaydırma tekniği önerilmiştir. Önerilen bu sistemde, bireysel kullanıcılar için hizmet kalitesi gereksinimleri (quality of servise, QoS)'nin arttırması garanti edilirken, toplam hızın (sum-rate) enbüyüklenmesi amaçlanmaktadır. Bu tezin üçüncü ve son bölümünde, RIS-destekli sistem tasarımlarında karşılaşılan, RIS kaynaklı pratik uygulama problemleri göz önünde bulundurulmuştur. Bu problemlerden ilki, RIS'in donanımsal uygulamalarında birçok sorunla karşımıza çıkan ve RIS'ten elde edilebilir kazancı sınırlayan, faz kayması ayarıdır. Bunun için, RIS elemanlarının sabit faz kaymaları ürettiği varsayılarak, bu elemanların açık/kapalı durumlarını optimize eden ve düşük maliyetli, faz yeni bir pasif huzme oluşturma (passive beamforming, PB) şeması önerilmiştir. Bu çalışmada, önerilen PB şemasının, klasik faz kaymasına dayalı PB şemasında olduğu gibi sinyal-gürültü oranı için aynı ölçüde büyüme (RIS boyutuna göre ikinci dereceden büyüme)'nin elde edildiği, ancak uzamsal korelasyona ve faz hatalarına karşı çok daha dayanıklı olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada incelenen ve RIS-destekli pratik uygulamalarda karşılaşılan diğer bir sorun ise RIS'in, kendisine çarpan her elektromanyetik dalgayı yansıtmasıdır ki, bu ortamda yayılan herhangi bir elektromanyetik paraziti (EMI) de alıcı tarafına iletmesi anlamına gelmektedir. Bu çalışmada, bu problemi çözmek ve EMI'nin etkisini azaltmak için, özel zaman bölgesi (special time-domain) yapısından yararlanılarak ve RIS'te akıllı bir pasif huzme oluşturma tekniğine başvurularak için yeni bir EMI engelleme şeması önerilmiştir. Önerilen tüm sistem tasarımlarının performans incelemeleri, ilgili performans matrislerini göz önünde bulundurarak yapılan detaylı matematiksel analizler ile ortaya konulmuş ve bu analizler, simülasyon sonuçlarıyla desteklenmiştir. Ayrıca, önerilen sistemlerin, kapsamlı bilgisayar simülasyonlar ile mevcut referanslara göre performans karşılaştırmaları adil sistem parametreleri gözetilerek karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, tüm bu elde edilen matematiksel analizler ve bilgisayar simülasyonu sonuçları, RIS'in 6G ve ötesi kablosuz iletişim sistemleri için umut verici bir aday olma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, RIS'in, mevcut kablosuz sistemlerin mimarilerinde destekleyici bir teknoloji veya temel bir sistem modülü olarak kullanılabileceği, sistem tasarımı açısından büyük bir serbestlik sunduğu gösterilmiştir. Tüm bu sonuçlar göstermektedir ki, RIS teknolojisi, farklı metrikler üzerinden bir temel haberleşme sisteminin performansı iyileştirmek, donanım tasarımının karmaşıklığını ve maliyetini azaltmak ve hatta sisteme tamamen yeni nitelikler kazandırmak için kullanılabilmektedirler.
Özet (Çeviri)
Over five generations of wireless communications networks, from 1G to 5G, the wireless channel was always a given system entity and not a design parameter. The wireless channel is dictated by the physical nature of the environment that contains the transmitter and receiver, the endpoints of a wireless network, which makes it random from their perspective. Hence, it cannot be manipulated, and the only way to deal with it is to compensate for its negative impact at the endpoints of the network. Recently, a new emerging technology called reconfigurable intelligent surfaces (RISs) has appeared to provide some degree of manipulation in the random wireless channel. With unprecedented capabilities, RISs somehow offer to make (even if partially) the random wireless channel as a design parameter that can be optimized jointly with the other conventional parameters to achieve a particular unified goal for the wireless network. An RIS is a metasurface in the form of a large array of passive and low-cost elements that can be controlled electronically to reshape the electromagnetic waves impinging the surface and absorb or reflect them to the opposite side. Owing to their unique properties of reconfigurability, low cost, and intelligence, recent literature envisions that RISs can find their way to integration with almost all of the existing wireless communication systems. Therefore, RISs has drawn growing attention in the wireless communication society as a promising emerging technology that can be a potential candidate for 6G and beyond wireless networks, which motivates this thesis. In this thesis, we investigate the potential of RISs to be used in the next generation of wireless networks as an enabling technology by examining how far it will impact the network's overall performance. Our investigation is carried out by proposing new solutions that redesign existing classical wireless communications systems to include RISs in their transceiver architectures and assess their performance compared to the classical systems. Specifically, this thesis proposes the design and performance analysis of seven RIS-assisted wireless communications systems, including single user and multiple users with multiple access, which can be categorized into three parts, as follows. In the first part of this thesis, we combine RISs with multiple-input multiple-output (MIMO) systems, where we consider vertical Bell Labs space-time (VBLAST) and Alamouti's schemes as the most common and practical MIMO schemes. For the VBLAST-based new system, an RIS is used to enhance the performance of the nulling and canceling-based sub-optimal detection procedure as well as to noticeably boost the spectral efficiency by performing index modulation (IM) at the RIS side. Furthermore, we propose an RIS-based transmitter for Alamouti's scheme that replaces the two radio frequency (RF) chains at the classical transmitter with a single RF signal generator. In the second part, we integrate RISs into non-orthogonal multiple access (NOMA) systems, as follows. First, we propose a novel NOMA solution with RIS partitioning with the aim of enhancing spectrum efficiency by improving the ergodic rate of all users and maximizing user fairness. In the proposed system, we distribute the physical resources among users such that the base station (BS) and RIS are dedicated to serving different clusters of users, thus, reducing the mutual interference between users' clusters. Second, in order to increase the coverage area, we consider the generalized version of RISs, namely, simultaneous transmitting and reflecting RISs (STAR-RISs). In particular, we investigate the BER performance of a NOMA network assisted by a STAR-RIS, where the STAR-RIS serves multiple non-orthogonal users located on either side of the surface by utilizing the mode-switching protocol. We derive the closed-form BER expressions in perfect and imperfect successive interference cancellation cases. Furthermore, asymptotic analyses are also conducted to provide further insights into the BER behavior in the high signal-to-noise ratio region. Third, we consider general system design and physical resources allocation problems for STAR-RIS-assisted NOMA networks. In particular, we propose a novel STAR-RIS-assisted NOMA system, where unlike most of the related works, we target scalable phase shift design that requires a reduced channel estimation overhead. The proposed system aims to maximize the overall sum rate while guaranteeing the quality-of-service requirements (QoS) for individual users. Finally, in the third part, we consider the RIS-assisted system design considering practical implementation problems associated with RISs. The first problem is the phase shift adjustment in RISs, which is associated with many issues in hardware implementation, limiting the RIS achievable gain. Therefore, we propose a low-cost, phase shift-free and novel passive beamforming (PB) scheme by only optimizing the on/off states of the RIS elements while fixing their phase shifts. The proposed PB scheme is shown to achieve the same scaling law (quadratic growth with the RIS size) for the signal-to-noise ratio as in the classical phase shift-based PB scheme, yet, with far less sensitivity to spatial correlation and phase errors. The second problem is the fact that RISs do not selectively reflect impinging electromagnetic waves; therefore, they can also reflect electromagnetic interference (EMI) from the surrounding environment to the receiver side. To solve this problem, we propose a novel EMI cancellation scheme to mitigate the impact of the EMI by exploiting its special time-domain structure and considering a clever passive beamforming method at the RIS. For all of the proposed system designs, we assess their performance using mathematical analyses by considering different relevant performance matrices, which are validated via simulation results. Also, using comprehensive computer simulations and under different system settings, we compare the performance of the proposed systems against their state-of-the-art counterparts using the same simulation parameters to guarantee fair comparison. The obtained mathematical and computer simulation results show that RISs have a huge potential to be a promising candidate for 6G and beyond wireless communications systems. RISs are shown to offer high degrees of freedom in terms of the system design, where they can be used as a supportive technology or main module within the existing wireless systems' architectures. Accordingly, they can offer system performance enhancement over different metrics, reduce the hardware design's complexity and cost, or even offer completely new features.
Benzer Tezler
- A new approach to satellite communication: Harnessing the power of reconfigurable intelligent surfaces
Uydu iletisimine yeni bir yaklaşım: Yeniden yapılandırılabı̇lı̇r akıllı yüzeylerden faydalanma
KÜRŞAT TEKBIYIK
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- From media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions
Ortam-tabanlı modülasyon'dan uyarlanabilir akıllı yüzeylere: Özgün indis modülasyon çözümleri
ZEHRA YİĞİT
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Uyarlanabilir akıllı yüzeyler kullanan indis modülasyon tekniklerinin performans analizi
Performance analysis of index modulation techniques using reconfigurable intelligent surfaces
ONUR SALAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HACI İLHAN
- Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks
İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri
AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Reconfigurable intelligent meta-surface for 5G communication system
5G iletişim sistemi için yeniden yapılandırılabılır akıllı meta yüzey
SABA TALIB HAMADA AL-HADEETHI
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAHİ ABDU IBRAHIM